集装箱起重机吊具对箱引导系统.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103818828 A (43)申请公布日 2014.05.28 CN 103818828 A (21)申请号 201410078600.X (22)申请日 2014.03.05 B66C 13/08(2006.01) B66C 13/46(2006.01) B66C 13/48(2006.01) B66C 13/16(2006.01) (71)申请人 上海振华重工电气有限公司 地址 200125 上海市浦东新区浦东南路 3470 号 申请人 上海振华重工(集团)股份有限公司 (72)发明人 陆青 (74)专利代理机构 上海专利商标事务所有限公 司 31100 代理人。

2、 施浩 (54) 发明名称 集装箱起重机吊具对箱引导系统 (57) 摘要 本发明公开了一种集装箱起重机吊具对箱引 导系统， 极大方便了司机的远程对箱作业， 提升了 起重机数字化、 信息化和智能化水平， 并有极大的 应用扩展性。其技术方案为 ： 通过图像处理技术 和位置数据拟合技术以及 “瞄准框” 方法， 将远程 对箱作业时远程司机观看的原始吊具图像处理转 换成目标框和当前吊具框对比显示形式并伴随文 字数据说明， 只要吊具框落入目标框就表明对箱 成功。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书。

3、1页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103818828 A CN 103818828 A 1/1 页 2 1. 一种集装箱起重机吊具对箱引导系统， 包括 ： 多个摄像头， 安装在吊具上 ； 第一光端机， 安装在吊具上， 和每一摄像头电连接， 接收摄像头输出的视频信号 ； 第二光端机， 安装在起重机上， 和第一光端机通过光纤连接 ； 工控机， 安装在起重机上， 电连接第二光端机和起重机的可编程控制器， 接收第二光端 机输出的安装在吊具上的摄像头的视频信号、 起重机的可编程控制器中吊具的位置姿态信 息和作业任务信息 ； 计算机， 安装在远程控制室内， 和工控机通过光纤连接， 同工。

4、控机进行信息双向传输。 显示器， 电连接计算机， 显示计算机输出的吊具框和目标框所组成的对箱引导画面 ； 对箱引导装置， 安装在起重机的工控机内或远程控制室内的计算机上， 基于摄像头拍 摄到的图像信息和起重机吊具的位置姿态信息以及作业任务信息获得目标集装箱锁孔的 目标位置和当前吊具的实际位置， 并将锁孔的目标位置和吊具的实际位置分别拟合成吊具 框和目标框。 2. 根据权利要求 1 所述的集装箱起重机吊具对箱引导系统， 其特征在于， 每一摄像头 通过一支架固定在吊具的四个对应集装箱锁孔的位置。 3. 根据权利要求 2 所述的集装箱起重机吊具对箱引导系统， 其特征在于， 每一支架具 有防撞防震的功。

5、能。 4. 根据权利要求 2 所述的集装箱起重机吊具对箱引导系统， 其特征在于， 每一支架具 有位置调整的功能。 5. 根据权利要求 1 所述的集装箱起重机吊具对箱引导系统， 其特征在于， 系统还包括 ： 姿态采集传感器， 安装在起重机上， 和工控机电耦合， 用于检测吊具当前的位置姿态信 息并输出至工控机。 6. 根据权利要求 1 所述的集装箱起重机吊具对箱引导系统， 其特征在于， 对箱引导装 置还包括 ： 对箱状态提示设备， 通过声光信息对对箱作业的状态进行提示。 7. 根据权利要求 1 所述的集装箱起重机吊具对箱引导系统， 其特征在于， 对箱引导装 置还包括 ： 对箱信息提示设备， 通过显。

6、示器上的文字和数据实时显示当前对箱偏差信息。 权 利 要 求 书 CN 103818828 A 2 1/5 页 3 集装箱起重机吊具对箱引导系统 技术领域 0001 本发明涉及集装箱起重机上的设备， 尤其涉及集装箱起重机吊具对箱自动化系 统。 背景技术 0002 集装箱码头自动化是经历了近二十多年集装箱装卸运输的高速发展后， 国内外集 装箱码头普遍寻求的技术发展方向。据统计， 目前已经建成和正在建设中的自动化码头有 四十多个。 集装箱码头自动化有很多好处， 譬如增加码头运行平稳性和可预估性， 提高设备 利用率， 降低用工成本， 提高安全性和司机作业舒适性等。 0003 相对于司机需要登上起重机。

7、作业的传统作业方式， 自动化码头的主要不同是采用 了半自动或者全自动堆场装卸起重机， 主要包括 （半） 自动轨道吊和轮胎吊。这两种机器同 需要上机作业的传统起重机的主要差别就是采用了人工远程装卸作业 ： 传统起重机所有工 作都有机上司机室的司机人工完成 ； 而 （半） 自动化起重机机上无人， 小车、 大车和大部分起 升运行动作由控制系统自动完成， 只有吊具最终下放到集装箱或集卡时由远程司机人工完 成。 该远程操作步骤具体工况为 ： 当起重机上的吊具下降到安全高度后， 由位于远程中控室 的司机人工介入操作起升主令手柄， 通过 “司机对箱起升下降吊具着箱开闭锁起 升至安全高度” 这一串动作， 完成。

8、吊具针对集装箱或者集卡的远程人工作业。 这其中主要的 难点是对箱， 这也是影响 （半） 自动化起重机整体作业效率的关键因素。 0004 目前对箱主要采用的技术手段是在吊具上安装四个固定摄像头， 通过拍摄吊具下 集装箱锁孔的图像， 把图像从起重机通过通讯系统送到中控室的显示器上， 由司机根据图 像和以往工作经验进行操作。该操作方式存在如下问题 ： 0005 1、 吊具下降过程中， 图像大小不断变化， 并伴随起重机作业剧烈抖动， 给司机带来 炫目感和不适感， 产生视觉疲劳 ； 0006 2、 当吊具相对于目标集装箱存在位置偏移时， 图像上的锁孔位置表现形式多样， 给远程人工调整带来了很多难度， 耗。

9、时长 ； 0007 3、 根据图像作业， 由于吊具本身的摇晃特性， 需要司机凭经验在某一图像特征下 采取 “抓箱” （即司机觉得吊具已经对准了， 瞬间下放吊具进行对箱） ， 因而对司机的操作技 能提出了高要求 ； 0008 4、 四个图像占用数据的传输量近 4M 字节， 对于起重机远程通讯系统来说是很大 的负担。当网络连接多台起重机时， 情况尤为严重， 经常会在远程显示器上出现图像迟滞、 卡壳等现象， 从而影响远程作业的流畅性， 降低工作效率， 甚至因为无法获取实时图像而留 下操作安全隐患。 0009 因而研发设计一种人性化易于远程司机对箱的引导系统， 能够消除上述各种弊 端， 增加远程作业效。

10、率， 提高起重机的技术含量和市场竞争力。 另外目前国内外尚无类似装 置， 市场前景广阔。 说 明 书 CN 103818828 A 3 2/5 页 4 发明内容 0010 本发明的目的在于解决上述问题， 提供了一种集装箱起重机吊具对箱引导系统， 极大方便了司机的远程对箱作业， 提升了起重机数字化、 信息化和智能化水平， 并有极大的 应用扩展性。 0011 本发明的技术方案为 ： 本发明揭示了一种集装箱起重机吊具对箱引导系统， 包 括 ： 0012 多个摄像头， 安装在吊具上 ； 0013 第一光端机， 安装在吊具上， 和每一摄像头电连接， 接收摄像头输出的视频信号 ； 0014 第二光端机， 。

11、安装在起重机上， 和第一光端机通过光纤连接 ； 0015 工控机， 安装在起重机上， 电连接第二光端机和起重机的可编程控制器， 接收第二 光端机输出的吊具摄像头视频信号、 起重机可编程控制器中吊具的位置姿态信息和作业任 务信息 ； 0016 计算机， 安装在远程控制室内， 和工控机通过光纤连接， 同工控机进行信息双向传 输。 0017 显示器， 电连接计算机， 显示计算机输出的吊具框和目标框所组成的对箱引导画 面 ； 0018 对箱引导装置， 可安装在起重机工控机内或远程计算机上 （两者取一） ， 基于摄像 头拍摄到的图像信息和起重机吊具的位置姿态信息以及作业任务信息获得目标集装箱锁 孔的目标。

12、位置和当前吊具的实际位置， 并将锁孔的目标位置和吊具的实际位置分别拟合成 吊具框和目标框 ； 并用不同颜色分别显示吊具框和目标框。 0019 根据本发明的集装箱起重机吊具对箱引导系统的一实施例， 每一摄像头通过一支 架固定在吊具的伸缩臂的四个对应集装箱锁孔的位置。 0020 根据本发明的集装箱起重机吊具对箱引导系统的一实施例， 每一支架具有防撞防 震的功能。 0021 根据本发明的集装箱起重机吊具对箱引导系统的一实施例， 每一支架具有位置调 整的功能。 0022 根据本发明的集装箱起重机吊具对箱引导系统的一实施例， 系统还包括 ： 0023 姿态采集传感器， 安装在起重机上， 和工控机电耦合，。

13、 用于检测吊具当前的位置姿 态信息并输出至工控机。 0024 根据本发明的集装箱起重机吊具对箱引导系统的一实施例， 对箱引导装置还包 括 ： 0025 对箱状态提示设备， 通过声光信息对对箱作业的状态进行提示。 0026 根据本发明的集装箱起重机吊具对箱引导系统的一实施例， 对箱引导装置还包 括 ： 0027 对箱信息提示设备， 通过显示器上的文字和数据实时显示当前对箱偏差信息。 0028 本发明对比现有技术有如下的有益效果 ： 本发明的方案是针对半自动或全自动集 装箱起重机远程作业时需要根据吊具摄像头图像进行对箱作业的缺陷， 通过图像处理技术 和位置数据拟合技术以及 “瞄准框” 方法， 将远。

14、程对箱作业时远程司机观看的原始吊具图像 处理转换成目标框和当前吊具框对比显示形式并伴随文字数据说明， 只要吊具框落入目标 说 明 书 CN 103818828 A 4 3/5 页 5 框就表明对箱成功。 相比传统的集装箱起重机远程作业时司机需要根据传送图像而进行对 箱作业的方案， 通过本发明的这一套吊具对箱引导系统， 使司机对箱时不再需要看着实际 的摄像图像画面来操作， 而是根据吊具对箱引导系统所采用的二个数字框对比显示来作业 （如同射击时的瞄准框概念） ， 当吊具框进入目标框范围时司机即可下放吊具， 从而消除了 原来根据图像画面而带来的种种不足， 简化了作业画面， 提高了远程作业对箱技术的数。

15、字 化、 智能化和信息化水平。 附图说明 0029 图 1 示出了本发明的集装箱起重机吊具对箱引导系统的较佳实施例的原理图。 0030 图 2 示出了本发明中的吊具摄像头的安装示意图。 0031 图 3 示出了本发明的对箱引导装置的处理流程图。 0032 图 4 示出本发明的显示器上的引导画面的示意图。 具体实施方式 0033 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。 0034 图 1 示出了本发明的集装箱起重机吊具对箱引导系统的较佳实施例的原理。请参 见图 1， 本实施例的集装箱起重机吊具对箱引导系统包括 ： 多个摄像头 10 13（在本实施 例中示出为 4 个） 、 第一光端机 2、 。

16、第二光端机 3、 工控机 4、 计算机 5 和显示器 6。 0035 这四个摄像头 10 13 安装在吊具 7 上。具体来说， 请参见图 2， 每一摄像头 （例如 图 2 所示的摄像头 10） 通过一具有防撞防震和位置调整功能的支架 70 固定在吊具 7 的伸 缩臂的四个对应集装箱锁孔的位置。 0036 第一光端机2安装在吊具7上， 具有四路视频输入和一路光纤输出， 和每一摄像头 10 13 电连接， 接收摄像头 10 13 输出的四路视频信号。 0037 第二光端机 3 安装在起重机 8 上， 和第一光端机 2 通过光纤连接。 0038 工控机 4 安装在起重机 8 上， 电连接第二光端机 。

17、3 和起重机的可编程控制器 （未图 示） ， 接收第二光端机输出的视频信号、 吊具的位置姿态信息和作业任务信息， 经过处理后 输出到远程控制室9内的计算机5。 吊具的位置姿态信息可以是起重机本身就具有的， 这就 不需要单独安装附加设备来采集。若起重机本身不提供位置姿态信息， 则可以通过安装姿 态采集传感器来实现， 姿态采集传感器安装在起重机 8 上， 和工控机 4 电耦合， 用于检测吊 具当前的位置姿态信息并输出至工控机 4。吊具的位置姿态信息包括左右位置、 前后位置、 吊具高度位置、 旋转角度等。 这些位置姿态信息可以纠正摄像头的图像偏差， 最后正确获得 吊具当前姿态同目标集装箱的相对位置。。

18、 0039 计算机 5 安装在远程控制室 9 内， 和工控机 4 通过光纤连接， 其中计算机 5 内设有 对箱引导装置 （注 ： 如远程通讯系统数据流量限制不易传输图像信息 （约 4M 大小） ， 则对箱 引导装置可安装在起重机上的工控机 4 内， 由对箱引导装置处理完毕后传送对应的吊具框 和目标框数据信息给计算机 5 即可， 此时数据流量可减少到 500K 以内） 。对箱引导装置基 于摄像头1013拍摄到的图像信息和起重机吊具的位置姿态信息获得目标集装箱锁孔的 目标位置和当前吊具的实际位置， 并将锁孔的目标位置和吊具的实际位置分别拟合成吊具 框和目标框。在这个过程中， 系统输入吊具上四个摄像。

19、头 10 13 的实时图像， 通过图像处 说 明 书 CN 103818828 A 5 4/5 页 6 理技术， 将拍摄到的四个锁孔图像转换成锁孔的数字位置 ； 同时由于四个摄像头已经固定 安装在吊具上， 相互位置已知， 可以将四个锁孔位置拟合成一个完整集装箱的位置。此外， 当由于光线、 障碍物或者其他因素导致四个摄像头图像不完整 （图像不清晰或者只有 2 到 3 个图像画面） 时， 由于吊具本身是一个刚性体， 系统仍然可以通过推算演示出整个集装箱的 完整位置。这些信息输出到显示器 6 上显示， 也可以通过网络通讯方式传送到远程控制室 内的其他显示或者处理设备， 以方便码头总控系统的综合信息集。

20、成。 0040 较佳的， 对箱引导装置内还设有对箱状态提示设备， 通过声光信息对对箱作业的 状态进行提示。 此外， 对箱引导装置内还设有对箱信息提示设备， 通过显示器上的文字和数 据实时显示当前对箱偏差信息。 0041 显示器 6 电连接计算机 5， 显示计算机 5 输出的吊具框和目标框所组成的对箱引 导画面， 在对箱引导画面中显示吊具框和目标框的相对位置， 便于司机观看操作， 如图 4 所 示。较佳的还可以对目标框和吊具框采用不同的颜色以示区分。在操作时可以通过对箱状 态提示设备提供的声光信息来提示司机进行对箱作业， 并同时在画面中以文字和数据显示 对箱信息提示设备提供的对箱偏差信息。当吊具。

21、框完全进入目标框， 则表明吊具位置对准 了目标集装箱， 远程司机可以马上进行下降落箱。 0042 整个对箱引导系统的设备安装和系统调试的过程如下。 0043 设备安装过程 ： 0044 首先将四个摄像头 10 13 的防震支架固定在吊具 7 上， 然后安装摄像头 10 13， 并调整好大概的位置， 使四个摄像头相对吊具锁头 71 的位置对称。 0045 在吊具 7 上架上安装控制箱， 内含吊具电源、 图像传输用的第一光端机 2。在电气 房安装相对应的第二光端机3和工控机4， 在远程控制室9中操作台安装计算机5和显示器 6， 完成摄像头第一光端机光吊具光纤电缆第二光端机工控机操作台计算机 显示器。

22、的信号和电源连线。 0046 通过以太网连接工控机 4 和起重机主可编程控制器 PLC， 获取吊具姿态位置信息 和当前作业任务信息。 0047 系统调试过程 ： 0048 第一步， 通电后观察四个摄像头的画面， 调整支架位置， 使四个摄像头的画面在同 一水平面上横向和纵向都图像一致， 大小接近相等。 0049 第二步， 在吊具启动摄像头拍摄的高度位置 （即基准位置） ， 获取四个图像的基准 信息， 对图像进行初定位， 将图像的边缘部分去掉。 0050 第三步， 对图像进行二值化， 并记录对应集装箱锁孔的信息， 包括最左边点坐标、 最右边点坐标、 最上边坐标、 最下边坐标和块像素的个数。 005。

23、1 第四步， 将图像中的干扰去掉， 比如块的宽度超过一定数量像素， 则认为是干扰， 将其归零。干扰去掉以后， 将图像的直线段都找出来， 并将直线段的两个端点坐标存储。 0052 第五步， 对找出来点直线段利用像素长度， 以及直线上的点空间坐标等进行约束， 最终找到四个目标锁孔段， 分别进行闭运算、 边缘提取， 获得四个锁孔目标框。 0053 第六步， 结合四个摄像头相互间的固定距离， 并根据集装箱的标准尺寸， 将四个锁 孔目标框整合成完整的目标集装箱位置框。 0054 第七步， 根据吊具位置姿态信息， 将当前吊具的位置抽象成吊具框数据。 说 明 书 CN 103818828 A 6 5/5 页。

24、 7 0055 第八步， 将集装箱目标框和当前吊具位置框用软件描绘出来， 并用红色和绿色分 别表示， 在中控显示器上显示， 旁边用文字和数据实时显示吊具相当目标集装箱的左右、 上 下偏差和旋转偏角信息， 以作为详细的补充说明。 0056 以上为基准位置的软件调试步骤。此外， 针对吊具在基准范围内的其他高度和姿 态， 需要计算调整系数 ： 0057 使吊具下降到不同高度位置， 计算吊具图像同工作高度的相互关系和补偿系数。 0058 在不同高度旋转吊具， 计算四个图像同吊具旋转角度的相关性和补偿系数。 0059 在不同高度前后、 左右移动吊具， 计算四个图像同吊具偏移量之间的相关性和补 偿系数。 。

25、0060 在完成上述步骤以后， 对箱引导系统就初步调试完毕， 可以进入实际作业验证阶 段。 0061 在起重机的设计不同高度分别堆放集装箱 （一般为从一层到六层） ， 尝试远程作 业。如果每层集装箱都能由对箱引导系统成功检测并显示， 则表明系统安装调试成功。 0062 本发明所设计研发的对箱引导系统将现有的远程对箱作业依靠目测摄像头的直 接图像并凭借司机经验对箱这种原始方式， 通过信息提取， 智能化处理并输出等一系列手 段， 最终转换成数字瞄准框方式， 这一方面有利于司机的简单作业， 减少对司机技能的依 赖 ； 另一方面该技术有扩展性， 可应用到完全不需要人工介入作业的全自动无人操作模式 （即。

26、起重机完全自动化， 不需要远程人工对箱） 。 0063 上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现和使用本发明的， 本领域普通技 术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下， 对上述实施例做出种种修改或变化， 因而 本发明的保护范围并不被上述实施例所限， 而应该是符合权利要求书所提到的创新性特征 的最大范围。 说 明 书 CN 103818828 A 7 1/3 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103818828 A 8 2/3 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103818828 A 9 3/3 页 10 图 4 说 明 书 附 图 CN 103818828 A 10 。